黑水调节阀固液两相流数值模拟及内流场分析
杨国来  张婧芳  叶建中

摘 要：以煤化工领域中某型号的黑水调节阀为研究对象，先对其结构和工作介质进行了分析，阐明了该调节阀工作环境恶劣的情况。用CFD中固液两相流的数值模拟方对两种开度下的阀门内流场进行了分析，得到了压力场、速度场，并对阀门内发生的闪蒸、空化现象进行了分析，给出了对现有结构进行改进的建议。

关键字：黑水调节阀  固液两相流  流场特性  闪蒸

0 引言

阀门是石油、化工、电站、造纸、核工业、长输管线、各种低温工程、海洋采油以及宇航等流体输送系统中的控制部件，具有导流、截止、调节、节流、防止逆流、分流或溢流卸压等功能。该调节阀工作温度较高，应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速，还要耐受闪蒸溶解汽的汽蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。黑水即为水煤浆气化工艺中在洗涤塔和气化炉的生产过程中产生的。因此对某型号黑水调节阀的内部流场进行CFD数值模拟分析，得到可视化结果，找出其闪蒸、空化区域，并对该区域进行结构改进，延长其使用寿命，具有重要意义。

1 黑水调节阀结构分析

黑水调节阀本质上是角阀的一种。它从结构上可以分为流开型（底进侧出）和流闭型（侧进底出）两种[2]。如图1所示。由于本案例中的调节阀用于煤化工气化工艺中，其介质含有煤渣、煤尘等杂质，为了防止流道堵塞，采用流闭型调节阀。

图1 调节阀中流体的流向

本案例中选取公称通径DN100，可调比R为50，阀芯行程为40mm的黑水调节阀为研究对象。其三维结构如图2所示。从图中可以看出此型号黑水调节阀主要由阀体、阀盖、阀杆、调节头、阀座及阀座组件构成。

图2 DN100的黑水调节阀三维结构图

阀门工作时，介质从进口流入，流经调节头与阀座组件之间形成的节流口，再由阀座处流出。期间通过阀杆和调节头的开度控制，起到精确调节压力和流量的作用。

2 工作介质介绍

该阀门主要用来处理流经气化炉和洗涤塔的黑水介质。黑水中含有Cl-、HS等强腐蚀性介质，同时还有很多硬质颗粒，固相含量高达3000mg/L，并且固相硬度很高，固相摩氏硬度可达7Mohs（刚玉陶瓷摩氏硬度），阀门进口压力3~6MPa，可承受0.3~1.5MPa的压差。而且其工作温度达250℃。黑水中的固体颗粒易发生沉积、结垢现象，容易堵塞阀门流道和工艺管道。当流体流过节流断面时，还有可能产生气液两项共存的状态，即发生闪蒸现象，这对阀芯和阀体造成了很大的危害，而且黑水介质中的硬质固体颗粒对阀内件和管道的高速冲刷，很大程度上损坏了阀门，而且产生了剧烈的震动和噪声。由此可知，该阀门的工作状况比较恶劣，我们用数值模拟的方法最大程度上去还原该阀门的真实工作情况，通过流场的可视化分析找到其闪蒸、空化的部位，为今后阀门的设计改进提供了一定的参考。

3 数值模拟

3.1 建模

用三维软件UG分别建立该调节阀开度十种开度下的三维模型，并抽取其流道，并将其划分网格，流道划分采用的是非结构化网格的划分方法。因为该流道模型是关于中心面对称的，为了便于计算和分析，我们采用其一半的模型进行网格划分及流场分析。图3是黑水调节阀全开时的网格划分情况，网格节点数约为81万。

3.2 两相流理论的研究模型

研究两相流或者多相流有两种不同的观点：①把流体当成连续介质，把颗粒当做离散相，探讨颗粒动力学；②除了把流体当做连续介质，把颗粒群也当做拟流体，假设它在空间有连续的压强分布和速度分布以及等价的输运性质。

在当前的两相流研究当中，对离散相颗粒的模拟是关键问题，而且对在连续流体中的离散相颗粒有不同的处理方法。总体来说有以下几种离散相颗粒的模拟方法，如表1所示。

表1 两相流的离散相颗粒模型

3.3 数值计算

将msh文件导入Fluent进行计算。本文算例采用压力基求解器，湍流模型采用可实现的k-ε模型，由于该介质中含有固体颗粒，而且介质中含固质量分数在15%左右，我们可以把各相看成互相贯通的连续体，满足Mixture模型的基本要求，所以我们采用的多相流模型为Mixture模型。采用SIMPLEC算法，单元中心的变量梯度选择Green-GaussNodeBased，压力的插值方法选择PRESTO！其他项采用一阶迎分格式。求解过程中适当调节松弛因子直到计算收敛。入口边界条件：压力入口，p1=3.72MPa。含固体积分数0.12。工作温度211℃。出口边界条件：压力出口p2=0.5MPa。壁面条件：无滑移壁面。默认设置对称轴条件。材料特性：液体密度852kg/m3，211℃时动力粘度0.000127kg/m2s。固体颗粒直径0.05mm，密度1200kg/m3。需要注意的是，不同开度下的模型需采用相同的边界条件进行设定。

图3 调节阀内流道网格划分

3.4 数值模拟结果分析

该黑水调节阀的流量特性为线性，我们取60%，40%两个开度见图4～图7，进行结果的对比分析。

1）阀门开度为60%时的流场特性

从对称面的压力云图可以看出，压力从进口到柱塞型阀芯的上半部分一直保持进口压力3.72MPa，图中细节放大图说明在阀口的节流口处压力开始突然下降，最低值达到了-9MPa，通过节流口处时，压力又开始逐渐恢复，直到达到设定的出口压力值0.5MPa。这是因为节流口处过流面积最小，流速最大导致的。可见该过程中出现了压力先降低，后升高的情况，又因为该工况下液体的饱和蒸汽压为1.9MPa，因此在流经节流口处时，压力降到了该条件下的饱和蒸汽压之下，所以阀内发生了闪蒸现象[6]。流体的压力在脱离节流孔之后，并没有一直保持在饱和蒸汽压力下，因此，阀门内还出现了空化作用。这也是为什么阀门使用寿命短，容易损坏的原因。

图4 开度60%时对称面的压力云图

图5 开度60%时对称面的流线图

图6 开度40%时对称面的压力云图

图7 开度40%时对称面的流线图

由对称面的流线图可以看出，在节流口处流线较为密集，因为通过调节阀的所有介质都要通过节流口出流向出口处。而且在节流口处流速达到最大值，为120m/s，再加上介质中含有固体颗粒，因此此处对零部件的磨损也比较严重。在节流口之后，介质流动脱离阀体内壁，形成局部小范围的回流。流道里的能量耗散以漩涡为主要方式，符合流场内部能量守恒定律。

2）阀门开度40%时的流场特性

比较图4和图6的压力云图，我们可以看到，调节阀对称面处的压力分布是相似的，但开度40%时节流口处最低压力为-12MPa，低于开度60%的最低压力-6MPa。

当阀口开度为40%时，节流口处流速最大值可达140m/s。高于开度60%时的最大流速。而且在距离阀芯下端10mm左右的位置，出现了漩涡。漩涡的出现会使零件受力不均匀，从而产生振动。发生漩涡的地方靠近出口处的边壁，由此我们推测，空化区域主要分布在阀套组件的直线段。当空化作用降低了液体传输能力时，调节阀的节流断面从理论上的通流面积最小处转移到了下游区域，改变了流速分布。

4 结论

（1）从分析黑水调节阀的结构入手，掌握其内部介质的特殊性，之后根据具体情况选择合适的数值模型进行分析是关键。本文中采用固液两相流的数值模拟方法对阀门内部流场进行了分析。

（2）针对阀门开度60%和开度40%两种情况下压力云图和速度流线图进行了对比分析，结果发现在节流口处流线最密，压强最低。而且阀门开度40%时节流口处流速要比开度60%时节流口处流速大，压强比后者更低。根据仿真结果，可以在节流口处堆焊或喷焊STL合金[7]，以此方法来提高易冲刷部位的强度从而延长阀门使用寿命。

（3）分析仿真结果我们得知，在阀门内部发生了闪蒸、空化现象，并对发生的部位进行了初步推测。接下来可以针对闪蒸空化现象发生的具体部位进行探索，从而对阀门的使用材料方面做相应的研究。另外，也可以通过优化阀门内的流道，达到降低节流口处流速的目的，进而能减小介质对阀芯的冲刷损坏。

针对调节阀使用过程中介质的特殊性，采用CFD中固液两相流的数值模拟方法对阀门内流场进行了详细分析。由于出现闪蒸和空化作用时，该阀门内的介质已变成汽固液三相，阀门内介质的情况变得更为复杂，因此要得到更为精确的流场分布还需要进行三相流的数值模拟。